手机APP在辅助高校植物学和生态学教学中的应用

胡刚，陆兰甜，徐超昊，张忠华，胡聪

手机APP在辅助高校植物学和生态学教学中的应用

胡刚，陆兰甜，徐超昊，张忠华，胡聪

（南宁师范大学 环境与生命科学学院，广西 南宁 530100）

手机APP在辅助高校植物学和生态学教学中具有重要的应用价值．通过对植物识别和查询类、野外调查和记录类、研究工具类共计16种手机APP的功能及其应用价值进行归纳总结，分析APP在辅助植物学和生态学教学中的优势和不足，以期提升高校植物学和生态学教学的效果，提高学生学习的积极性，为高校生物学教学模式的创新和实践提供参考．

手机APP；植物识别；植物学；生态学

伴随智能手机的普及，各类具有不同功能的应用软件（application，简称APP）不断涌现，并渗透到社会各个领域．花伴侣、形色、Biotracks、Canopeo等APP以智能手机为载体，为植物分类鉴定与资料查询、科研数据测定与记录等方面提供了新的解决途径[1-2]．高校植物学和生态学课程教学中往往存在师资力量不够、教学资源不足、实践教学模式单一固化等问题[3]．运用智能手机APP辅助高校植物学和生态学教学具有多方面的价值．如在实验和实习教学时，学生可通过手机便捷地识别植物种类，较大程度地减轻了野外实习带队教师的植物鉴别和指导压力；使用APP进行资料查询（如查询中国植物志书和地方植物志），让学生随时随地高效查询植物形态性状，解决学校纸质书籍不足的问题；还可以借助科研工具类APP建立科研小活动和小课题，可以便捷地进行课程内容拓展，为学生巩固课堂知识以及进行科研训练提供重要的帮助[4-5]．

为促进高校教师运用手机APP辅助植物学和生态学教学，提升学生学习的积极性和创新能力，归纳总结了植物识别和查询类、野外调查和记录类、研究工具类合计16种APP的功能及其应用价值，结合教学经验和教学实例分析了这些APP在辅助植物学和生态学教学中的优势和不足．

1　手机APP的分类介绍

选取功能丰富且在国内外有较为广泛使用的16种专业APP，将其分为植物识别和查询、野外调查和记录、研究工具3大类，重点介绍了这些APP的功能特点和应用价值（见表1）．

表1　16种手机APP的类别与功能

1.1　植物识别和查询类APP

1.1.1植物词典由中国国家标本资源共享平台（NSII）发布的植物名称查询工具．用户可进行拉丁名、中文名和异名等关键词的模糊或精确搜索，并可在线访问数据来源．该APP共收录了8个数据库的植物数据，包括Species 2000中国节点、Flora of China、中国植物志、The International Plant Names Index、The Plant List等，具有自动补全、收藏物种名称、通过异名访问接受名等实用功能．

1.1.2花伴侣由鲁朗软件（北京）有限公司基于中国科学院植物研究所分类图库和用户共建图库，利用深度学习技术开发的植物识别软件[6]．用户可通过手机拍摄花、果、叶等特征部位即可对植物进行快速识别，鉴定出该植物的中文名、拉丁名，同时配以照片、形态特征等信息，用户可以开启定位标记植物所在位置、查看附近用户拍到的植物或通过搜索位置查看附近的植物种类．该APP还具有发布动态、发起求助和分享朋友圈等功能．该APP能够识别丰富的野生或栽培植物，对于常见种的识别准确率较高，可为物种多样性调查、园林绿化建设等提供一定的帮助．

1.1.3植物智（花伴侣专业版）由中国科学院植物研究所开发的植物物种智能识别应用，是花伴侣APP的专业版，其能识别15 000种野生或栽培植物，用户可以在手机端进行中国植物图像库检索，《中国植物志》志书词条内容检索，标本识别和检索等功能，可为植物分类学、资源调查、物种保护提供更为专业的服务．相较于花伴侣APP，其识别准确性更高，识别的植物种类和功能更为丰富．

1.1.4形色由杭州睿琪软件有限公司基于深度卷积神经网络技术开发的植物识别软件．除了可以进行拍照识别植物的科、属、种信息外，还有户外赏花、每日一花、趣味植物、花艺生活等趣味性和生活化的栏目，且建有交流群，对常见植物的识别能力较强，受到广大植物爱好者的喜爱．通过APP识别的植物可自动生成记录，内容包括植物中文名和相关诗词等，并可通过图片的形式导出．

1.1.5标本伴侣由中国科学院植物研究所开发的植物标本资源信息管理工具，用户可以进行标本检索、标本条码阅读、标本信息收藏、标本图像识别及标本采集记录等[7]．该APP可在线检索中国数字植物标本馆（https://www.cvh.ac.cn/）中的700万份标本，识别最常见的植物标本，科属识别准确率较高，是标本采集工作、植物分类及资源考察的良好工具．

1.1.6晓草由中国科学院植物研究所与内蒙古草原生态环境（集团）股份有限公司合作开发的草原植物识别软件，用户可以对草原植物进行拍照或图片识别，获取植物科、属、种名称以及照片，还包括形态特征、产地、生境和物候等信息，可实现我国北方草地2 000种左右常见草本和木本植物的拍照识别．

1.2　野外调查和记录类APP

1.2.1Biotracks由中国科学院昆明植物研究所开发的一款自然观察类公众科学应用[8]．用户可以借助它进行各类自然观察记录，并能够发布和组织自己的科学观察项目，同时具备语音记录、地理网格、在线地图、离线地图、轨迹记录等地图服务．快速记录可以满足随走随记，项目记录可用于单任务的多人协同工作，记录内容可以导出为Excel数据表，便于进一步的数据处理和利用．

1.2.2绿途由北京数字绿土科技有限公司和中国科学院植物研究所研发的用于植被信息数据采集服务的软件[9]．该APP可以加载多源遥感地图，并有等高线、1∶100万植被图、1∶50万植被图等图层．用户可以使用APP进行路线规划轨迹记录，地图打点，面积计算和群落全景、优势种及其细节等照片的记录和上传等多种功能．

1.2.3奥维互动地图由北京元生华网公司开发的地理信息记录类应用，可实现地图导航、地理规划、位置记录、行程位置分享、轨迹记录、指南针、全球地图离线下载等强大的设计功能与地理信息展现能力[10]．其整合多种地图数据资源，用户可以进行经纬度、海拔、坡度等判读，可以进行路线的实时定位，队员间共享位置，划定调查区域，规划调查路线，标签定位功能可插入照片和录音，这些功能均有助于提高野外调查设计的精度及工作效率．

1.2.4数图由无锡维乐彩智科技有限公司开发的田野调查数据采集软件．该APP除支持通过“数图项目”采集并存储在本地数据库中的矢量数据外，还支持kml，geojson，EsriJson，GeoPackage等格式的矢量数据，提供包括坡度计、测高器、指南针等多种数据采集辅助工具，其调查数据采集内容高度可定制，适用于林业调查规划、生态科学考察、动植物保护、资源调查、市场调研、户外运动等多种场景．

1.3　研究工具类APP

1.3.1Canopeo由美国俄克拉荷马州立大学（Oklahoma State University）开发的冠层覆盖度测量软件[11]．该APP采用Matlab编程语言开发，其基于红绿比和蓝绿比以及超绿指数（excess green index）来分析像素变化，是一种自动颜色阈值图像分析工具．用户可十分简便、快速和准确地量化农作物、草坪或草地等植被的冠层覆盖率，可用于监控作物的生长进度，估算植被生物量以及评估冰冻、冰雹或除草剂对植被的损害等研究．

1.3.2Gap Light Analysis Mobile Application（简称GLAMA）由捷克共和国马萨里克大学（Masaryk University）开发的森林冠层覆盖度测量软件．该APP可用于分析半球形、广角和标准照片，其可以定义镜头类型、照片边缘的最小天顶角以及整个半球的周长大小（以像素为单位）．GLAMA中多数参数只需设置一次，后续照片会自动沿用先前定义的参数，所以可以快速分析出结果．与传统的林分冠层分析仪器相比，该APP可简便、高效地在野外对森林冠层进行测量．

1.3.3Leafscan由卡洛斯·安德森（Carlos Anderson）博士开发的一款叶面积测量工具．用户需要打印一张带距离标识的白纸，然后将一片或多片叶子放置于白纸上，用手机拍摄即可获得高精度叶片表面积数据．Leafscan可以自动校正拍摄角度，自定义测量单位，测量结果可以导出为csv格式文件．

1.3.4LeafByte由美国乔治·华盛顿大学（George Washington University）的博士后佐伊（Zoe）和软件工程师阿比盖尔（Abigail）共同制作的一款快速测量叶片面积以及虫食特征的软件[12]．用户可以在白色背景纸上拍摄受损叶片的照片，即可快速获得叶片被食部分的面积．该APP可自动计算出叶总面积以及被取食部分的占比，并且可以纠正照片的倾斜角度．

1.3.5Petiole Pro是由英国Petiole公司提供的用于植物表型测量的软件，其基于深度学习算法可快速分析叶面积、冠层盖度指数、叶绿素含量、种子以及花和果实的数量等指标．

1.3.6PocketLAI由意大利Cassandra Tech公司发布的用于估算叶面积指数（leaf area index）的软件[13]．该APP使用分割算法对冠层图像进行处理，从而获取较为准确的叶面积指数，适用于作物、果园和自然植被的冠层叶面积指数测量．

2　使用APP辅助教学的价值

2.1　降低植物识别与查询的时间成本

野外实习是高校植物学和生态学课程教学的重要环节．学生既需要观察、调查和采集植物，又需要制作标本并进行鉴定和归类，时间往往很有限．一般来说，通过植物学理论知识的学习和实验的训练，学生基本能够识别常见植物的科名或属名，而难以鉴定到种名．厚重的各类植物志、植物图谱等书籍往往难以携带到野外，而使用花伴侣、形色、植物词典等APP对植物进行识别或查询就显现出其小巧轻便、操作简单便捷的优势．通过智能手机的拍照或使用相机拍照后上传的方式进行植物识别，可以较为准确地鉴定常见植物的科、属，甚至到种水平[14]524．教师可以组织学生进行趣味性的植物鉴定活动或比赛，如开展“识花大挑战”“校园植物摄影大赛”“某公园的园林植物多样性调查”等实践活动课程，可显著提高学生学习植物学的热情．因此，利用植物识别和查询类APP进行物种鉴定与传统的书籍查询方式相比，在便利性和效率上都具有绝对的优势．

2.2　提高植物数据测量、记录与整理的工作效率

在植物学和生态学实验或实习过程中，使用手机APP可以更为便捷和高效地进行科研数据的测定和记录．教师可根据实验或实习地点所在地植物分布情况，提出一些研究课题供学生选择，也可由学生自主分组查询资料，自主拟定课题．可提醒学生利用植物识别和查询类、野外调查和记录类、研究工具类APP进行课题研究，提高学生的科研能力，从而更易于掌握植物学和生态学野外科学研究方法．让学生领悟科研的魅力，转变学生“谈科研色变”的现状，提高实验和实习教学质量．如可以使用Biotracks的“项目”功能，选择自然观察记录或标本采集记录2个模块建立团队项目并划定项目区域．其中，自然记录模块有“通用生物观察”“植物样方记录”“民族植物学调查”等16种模板可供选择，标本采集记录模块有“地衣标本采集”“苔藓标本采集”“寄生植物调查”等９种模板可以选择．根据课题的特点选择相应的模板建立项目，邀请学生加入项目即可多终端协作进行调查研究工作．

教师可以给学生布置一些课外作业帮助学生巩固植物学和生态学知识．如利用Biotracks建立“南宁师范大学武鸣校区植物鉴赏”项目，学生６人为一组进行校园植物鉴定，其中３人选择形色、花伴侣等识别类APP进行植物鉴定，３人使用Biotracks进行相关信息记录．结合手机APP及教师的指导，学生仅花费２天时间即可完成“南宁师范大学武鸣校区维管植物名录”的编写．除此之外，教师可以引导学生利用手机植物识别APP开展校内或周边植物学小课题研究，如“校园植物标本制作与数字化展示”“校园杂草组成与分布特征调查”“校园植物物候观测”等课题．因此，相比于传统的纸笔记录和查询书籍，利用这些APP可以明显提高学生在实验和实习过程中数据测量、记录与整理的效率．

2.3　提升学生的专业能力和学习效果

利用APP辅助植物学和生态学教学，结合项目式学习的方式拓宽了知识获得的路径，使零散的知识系统化，能较大程度地提升学生的专业能力和学习效果．除了植物识别和查询类APP以外，野外调查记录类和研究工具类APP等都较大程度地影响和转变教师的教学和科研方式，进而改变和促进学生学习方式的迭代以及科研方法的创新．通过对花伴侣和形色２款APP辅助教学的作用效果进行实验探究，表明手机APP辅助植物学教学有助于提升学生的专业能力，提高学生的学习成效．

在常规的实验教学中，一些实验数据如植被盖度、郁闭度、叶面积等的测量往往采用目测或仪器测定等传统或常规方法，费时费力，而利用Canopeo，LeafByte，Leafscan等APP可以明显提高实验数据获取的质量和效率．如在测定叶面积时，往往利用扫描仪扫描叶片，再利用Image J等软件测算叶面积；在测定林分冠层叶面积指数时，需要架设冠层分析仪（如WinScanopy，LAI-2200等冠层分析仪）进行测定，再利用软件解析数据，因而获取实验数据需要花费较长时间，并且这些仪器存在相对笨重、难以学会操作使用、价格昂贵等问题．虽然Leafscan，GLAMA等APP在冠层分析的数据准确性方面还不如专业的冠层分析仪，但其使用非常简易，同样获取数据仅数秒即可，非常适合师生实验或实习教学中使用．师生利用这些APP进行植物学和生态学实验数据的测定，可在很大程度上提升学生的专业能力和教学效果．因此，这种由科技进步带来的学习方式和科研方法的改变，有助于教学内容、教学手段的提升和优化，同时助推高校教师在教学和科研方面的协同发展．

3　使用APP辅助教学中的潜在问题与应对措施

3.1　手机APP测定的数据无法保证准确性

植物识别类APP的识别原理是通过将植物照片与数据库的图片进行比对，从而匹配出形态相似植物的科、属、种等相关信息．仅使用植物识别类APP对植物进行识别鉴定，并不能保证鉴定的准确性[4]117．一些不常见的野生植物种类、拍摄植物的不同部位等均会导致难以准确识别．为了提高识别的精确度，拍摄时要尽量拍清楚植物的茎、叶、花、果实及种子的特征，同时可以使用多款APP同时识别植物种类，从而提高准确性．花伴侣和形色是多款植物识别类APP中识别准确率较高的２款APP[14]530．在借助其进行初步识别后，对于难以鉴定的植物仍需要学生使用专业知识或书籍对识别结果做出进一步的判断．因此，在熟练使用这些APP的同时，仍需引导学生加强理论知识的学习，并在日常生活中注意观察和自主学习，丰富自身识别植物的经验和植物知识的积累．识别植物不仅要观察其特征，还要引导学生用鼻子闻、用手触摸等方式，从视觉、嗅觉、触觉等多方面掌握植物性状特征，以达到准确鉴定植物种类的目的．此外，由于各APP的服务定位及功能各有侧重，识别能力也有所差异，因此可在实习地点开展不同APP的植物识别能力评价，从而提高学生对各APP功能特性和使用技巧的掌握．

3.2　部分APP的运行对手机性能的要求较高

部分APP对手机性能的要求相对较高．如地图下载、轨迹数据、照片等数据的存储对手机的内存容量要求较高；开启GPS定位或轨迹跟踪功能，手机的耗电量较高；拍摄清晰照片要求手机摄像头的像素较高以及变焦能力较强；一些APP的使用需要购买周边配件，如鱼眼镜头．此外，学生手机的系统各异，部分限定平台的APP将无法安装运行．因此，在分组时应充分考虑学生手机的性能和系统类型，并且需要提前安装、调试并运行APP．在实验或实习教学前，需要提醒学生提前清理手机内存，同时可通过外接储存器的方式扩充内存，使用充电宝以保证手机的续航能力，鱼眼镜头等手机周边配件往往价格不高，可通过实验和实习经费集中采购．

3.3　学生过度依赖APP

手机使用的便捷性可能导致学生过度依赖这些APP，从而导致学生对植物学和生态学基础知识学习积极性的下降[4]117．有的学生甚至认为用手机就可以轻松获取信息，学习植物分类知识无用的错误认识．因此，教师需要对学生进行思想认识的引导，让学生认识到APP只是学习的辅助工具，其目的是帮助学生巩固自身所学的理论知识、提升专业能力和辅助实验研究．为避免学生过度依赖APP，教师可仅利用APP辅助部分实验或实习教学活动．如在植物分类教学过程中，要求学生多利用植物志、植物图谱类书籍进行植物分类检索查询；在进行植物叶面积指数、植物表型测定实验时，可首选专业仪器进行数据采集，同时使用APP辅助采集数据，比较分析仪器与APP测定数据的差异及其原因，这样可巩固学生专业理论知识并理解实验原理．

4　结语

文章总结了植物识别和查询类、野外调查和记录类、研究工具类共计16种APP的功能及其应用价值，其中部分功能实用的APP（如LeafByte，Leafscan等）在国内尚鲜有使用和报道．结合教学经验和实例，较为详细地分析了这些APP在辅助植物学和生态学教学中的优势和不足，可为高校生物学教学模式的创新和实践提供参考．运用手机APP辅助高校植物学和生态学教学，对教师的教学和学生的学习都能起到较好的促进作用，其使用价值主要体现在能够降低植物识别与查询的时间成本，提高实验数据测量、记录与整理的工作效率，进而转变教学模式，提升学生的专业能力和学习效果．然而，使用手机APP辅助教学存在测定数据的准确性难以保证、部分APP对手机性能的要求较高以及学生容易对APP产生依赖等潜在问题，教师可采取针对性的措施来解决这些问题．

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Application of mobile APP in botany and ecology teaching in the university

HU Gang，LU Lantian，XU Chaohao，ZHANG Zhonghua，HU Cong

（School of Environment and Life Sciences，Nanning Normal University，Nanning 530100，China）

Mobile APP have important application value in assisting the teaching of botany and ecology in the universities．The functions and application values of 16 mobile APPs，including category of plant identification and query，category of field investigation and records and category of research tools were assessed．The advantages and disadvantages of these APPs in assisting botany and ecology teaching are analyzed in order to assisting teachers to improve the effect of teaching and improving students′ learning enthusiasm，so as to further provide reference for the innovation and practice of biology teaching in the universities．

mobile APP；plant identification；botany；ecology

1007-9831（2022）09-0105-06

Q94∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.023

2022-06-01

广西高等教育本科教学改革工程项目（2020JGB268，2021JGX025，2022JGB263）；广西研究生教育创新计划项目（JGY2022222）

胡刚（1981-），男，安徽庐江县人，副教授，博士，从事植物学研究．E-mail：ahhugang@126.com

胡聪（1987-），女，广西南丹人，讲师，博士，从事生态学研究．E-mail：hucong820@163.com